TWI317134B - Gas sensor unit and method of forming the same - Google Patents
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Description
為了防止工業製程中所使用或產生的各種有毒、可燃 =爆炸性或是f息性的氣顯漏，而危害人體甚至造成 ，上的重；Ml害，近來各界已經對於能漏測各種不同 氣體刀子的感測1§投人研發，並且著重於高敏度、低成本、 選擇性佳、反餘速、高敎性與舰性等效能。
1317134 19527twf.doc/g 九、發明說明： 【备明所屬之技術領域】 本1月疋有關於一種氣體感測單元以沾及 其製造方法且特別是有關於-種低成本(low cost)且高敏 度(high sensitivity)的氣體感測單元及其製造方法。 【先前技術】 目前常用的氣體感測器可分為觸媒燃燒型、金屬半導體吸 導電向分子材料等氣體制器。不過，因為目前普遍應 用於如醇類的氣體感測材料，例如觸舰燒型或者金屬氧化物 ，附型’皆需於高溫下操作，因而限定其對易燃性氣體之侧 應用。 、 心♦相Ιχ^τ，為導電高分子材料具有單、雙鏈交錯共 /1所以可藉由其所具有的特殊電子組態，經過氧化或 ’電子可沿著分子鏈或跨越分子鏈做跳躍運動而具 性。所以，可以在室溫下進行氣體感測。 ^，目前在有關導電高分子材料的氣體感測器中， 有=口各⑽ypyrrole，ppy)有相關的研究，惟目前聚吼 【發^"^/化之應用’其價格料且麵取得不易。 1317134 19527twf.doc/g 本發明的氣體感測單元主要包括導電高分子以及用來 吸附軋體分子的一種吸收體。而且，於本發明的—較佳實 施例中’導電高分子是聚苯胺(Polyaniline，PAN)、吸收體 疋t胺酯(Polyurethane，PU)。而且，以氣體感測單元為 lOOwt%來算，導電高分子的含量為25〜55wt%，而吸收體 的含置則為45〜75wt%，以使氣體感測單元達到較佳的導 電性及成膜機械性質。此外，本發明的氣體感測單元可以 及附的氣體分子是醇類分子，如曱醇分子、乙醇分子等。 由於本發明的氣體感測单元以聚苯胺(PAN)之導電特 性作為感測材料，配合聚胺酯(PU)作為吸附氣體分子之吸 枚體。並且，因為吸收體可吸收空氣中之氣體，改變原有 之形態進而改變氣體感測單元整體(PAN+PU)之電阻，而可 適時警示。 圖1為依照本發明之另一較佳實施例的氣體感測單元 的製造流程步驟圖。 請參照圖1，於步驟100中，混合導電高分子與吸收 體’以形成一種混合物。其中’導電高分子為聚苯胺 (PAN),而吸收體貝,】為聚胺醋（PU)〇其中，以上述混合物 之固態成分(solidconstituent)為lOOwt%來算，聚苯胺(pan) 含量為25〜55wt%、聚胺酯(PU)含量則為45〜75wt%。此外， 形成上述混合物的時候可以在混合導電高分子與吸收體時 加入一種溶劑’來幫助混合，其中前述溶劑例如是曱苯。 接著’於步驟110中，固化混合物。而且，固化混合 物的方法例如將混合物以熱處理(thermal treatment)成膜； 1317134 19527twf.doc/g 或者是烘乾前述混合物，以固化混合物。其中，烘乾混合 - 物之條件例如是在50°C〜70°C的溫度範圍中恆溫，並烘乾 _ 280分鐘至320分鐘。最後，所完成的氣體感測單元可藉 由吸脫附醇類的氣體分子，而改變其整體之電阻變化，而 用於偵測醇類氣體。 除此之外，在步驟1〇〇與步驟110之間，還可選擇將 上述混合物塗佈於一感應電路，藉以感應後續形成之氣體 感測單元整體的電阻變化。其中，感應電路例如是氧化鋁 陶瓷載盒(CLCC)。以下列舉數個實例來詳述本發明的製造 方法以及所得到的氣體感測單元的效能。 ‘ 第一實例： . 第一實例是針對本發明之氣體感測單元(PAN+PU)，進 行基本電性(電阻)之量測，再經由甲醇(Me〇H)二次連續吸 脫附實驗之DC電阻（阻抗）變異敏感度進行檢測。其中， 以40 wt%的聚苯胺(pan)以及60 wt%的聚胺酯(PU)(其中 NCO . 5_56 %)作為原料’並在以下實驗條件下進行感測： _ 半密閉性量測系統、（2)常溫自然揮發與(3)氣體感測單 元的感測面與曱醇液面間距約為1.5 cm。 而第一實例中的氣體感測單元之製造方法是先取定量 PU與PAN(黏稠態)摻合’同時加入適量曱苯(Toluene)作為 溶劑，並均勻攪拌（約10分鐘）。之後，塗佈於一個無引腳 氧化銘陶瓷載盒(ceramic leadiess chip carrier，CLCC)表 面。接著，於烘箱中以60°C恆溫烘乾約5小時，再將其取 出冷卻’以便進行曱醇二次連續吸脫附/DC阻抗特性量測。 1317134 I9527twf,doc/g °月見圖2 ’其為第一實例之氣體感測單元(PA/PU: 40/60 wt%)於冷卻後，進行甲醇吸脫附之前，於靜置狀態下的 DC阻抗特性量測狀態，結果測得的電阻值隨時間變化仍 維持在約3740 〇hm與3760 Ohm之間。 ^ ，著，進行甲醇連續吸脫附之後，如圖3所示，其為 第一實例之氣體感測單元(PAN/PU : 4〇/6〇 wt%)進行氣體 感測後的DC阻抗特性量測狀態。其中，在無甲醇揮發下 的電阻值一直維持在穩定狀態，但於甲醇第一次揮發後電 阻值隨時間增加由3740 Ohm上升至3800 0hm，之‘移除 曱酉子/谷液，電阻值隨即降低。然後，在進行第二次揮發後， 電阻值隨時間增加由3775 〇hm上升至3835 〇hm，之後移 除曱醇溶液’電阻值也隨即下降。 、也就疋δ兒，當第一貫例的氣體感測單元在感測曱醇揮 發為氣體後，將產生自我直流電阻上升，當曱醇移除後直 流電阻下降，而產生穩定之阻抗變化趨勢，其近乎線性之 現象並具有再現性。 第二實例： 第二實例與第一實例的差別只在其中是以5〇 wt%的 聚苯胺(PAN)以及50 wt%的聚胺酯(Pu)作為原料，並進行 曱醇(MeOH)三次連續吸脫附實驗，來對其電阻(阻抗)變異 敏感度進行檢測。 如圖4所示，其為第二實例之氣體感測單元 (PAN/PU: 50/50 wt%)進行氣體感測後的DC阻抗特性量測 狀態。其中，在無甲醇揮發下的電阻值一直維持在穩定狀 1317134 19527twf.doc/g 態’而於曱醇第一次揮發後電阻值隨時間增加由2485 〇hm _ 上升至2553 Ohm，之後移除曱醇溶液，電阻值隨即降低。 - 然後’在進行第二次揮發後，電阻值隨時間增加由 2516 Ohm上升至2547 Ohm，之後移除甲醇溶液，電阻值 也隨即下降。 接著，在置於曱醇溶液上進行第三次揮發後，電阻值 隨時間增加由2519 Ohm上升至2572 Ohm，之後移除曱醇 _ 溶液’電阻值依舊隨即降低。 因此，當聚苯胺(PAN)及聚胺酯(hj)的含量改為50 wt%與50 wt%時，仍可於感測到甲醇氣體分子時產生自我 直流電阻上升，而當移除曱醇後直流電阻會下降，且不論 • 在第一實例的二次連續吸脫附(如圖3)或第二實例的三次 連績吸脫附(如圖4)皆能產生穩定之阻抗變化趨勢，近乎線 性之現象並具有再現性。 第三實例： 第三實例的氣體感測單元是以50 wt°/〇的聚笨胺(pan) _ 以及50 wt%的聚胺酯(PU)作為原料，並進行乙醇(Ethan〇1) 二次連續吸脫附實驗，來對其電阻(阻抗)變異敏感度進行 k測。其中關於氣體感測單元的製造方法與實驗條件均如 第一、第二實例。 請參照圖5,其為第三實例之氣體感測單元(pAN/pu : 50/50树°/。)於冷卻後，進行乙醇吸脫附之前，於靜置狀態 下的DC阻抗特性量測狀態，結果測得的電阻值隨時間變 化維持在約2485 Ohm與2490 Ohm之間。 1317134 19527twf.doc/g 圖1為依照本發明之較佳實施例的氣體感測單元的製 造流程步驟圖。 圖2為本發明的第一實例之氣體感測單元(PA/PU: 40/60 wt%)於靜置狀態下的電阻值與時間的關係曲線圖。 圖3為本發明的第一實例之氣體感測單元進行氣體感 測後的電阻值與時間的關係曲線圖。 圖4為本發明的第二實例之氣體感測單元(PA/PU: 50/50 wt%)進行氣體感測後的電阻值與時間的關係曲線 ► 圖。 圖5為本發明的第三實例之氣體感測單元(PA/PU: 50/50 wt%)於靜置狀態下的電阻值與時間的關係曲線圖。 ' 圖6為本發明的第三實例之氣體感測單元進行氣體感 ' 測後的電阻值與時間的關係曲線圖。 【主要元件符號說明】 100〜110 :步驟
13
Claims (1)
1317134 .9.74,1-26,
十、申請專利範圍： 1. 一種氣體感測單元，包括： 一導電高分子，為聚苯胺(Polyaniline，PAN)，其 含量以該氣體感測單元為l〇〇wt%來算為25〜55wt% ;以及 一吸收體，用以吸附一含0H基的有機揮發氣體分 子，為聚胺酯(polyurethane，PU)，其含量以該氣體感測單 元為lOOwt%來算為45〜75wt%。
2. 如申請專利範圍第1項所述之氣體感測單元，其中 被吸附的該含0 Η基的有機揮發氣體分子包括醇類分子。 3. 如申請專利範圍第2項所述之氣體感測單元，其中 該醇類分子包括曱醇分子。 4. 如申請專利範圍第2項所述之氣體感測單元，其中 該醇類分子包括乙醇分子。 5. 如申請專利範圍第1項所述之氣體感測單元，更包 括·一感應電路，藉以感應氣體感測卓元整體之電阻變化。 6. 如申請專利範圍第5項所述之氣體感測單元，其中 該感應電路是指一氧化鋁陶瓷載盒。 7. 如申請專利範圍第1項所述之氣體感測單元，其中 該氣體感測單元係藉由吸脫附醇類的氣體分子，而改變該 氣體感測單元整體之電阻變化，而用於偵測醇類氣體者。 8. —種氣體感測單元的製造方法，包括： 混合一導電高分子與一吸收體，以形成一混合物，其 中： 該導電高分子為聚苯胺(PAN)，其含量以該混合物 14
1317134 之固態成分為lOOwt%來算為25〜55wt% ; 該吸收體為聚胺酯(PU)，其含量以該混合物之固態 成分為lOOwt%來算為45〜75wt%，該吸收體是用以吸 附一含OH基的有機揮發氣體分子；以及 固化該混合物。
9. 如申請專利範圍第8項所述之氣體感測單元的製造 方法，其中固化該混合物的方法包括將該混合物以熱處理 成膜。 10. 如申請專利範圍第8項所述之氣體感測單元的製 造方法，其中固化該混合物的方法包括烘乾該混合物。 11. 如申請專利範圍第1〇項所述之氣體感測單元的製 造方法’其中供乾§亥混合物之條件包括：在5〇。〇〜7〇。^的 溫度範圍中恒溫’烘乾280分鐘至32〇分鐘。 12. 如申請專利範圍第8項所述之氣體感測單元的製 造方法，其中形成該混合物的方法包括在混合該導電高= 子與該吸收體時加入一溶劑。 @刀 13. 如申凊專利範圍第12項所述之氣體感測單元的 造方法’其中該溶劑包括甲苯。 、 14. 如申請專利範圍第8項所述之氣體感測單元的製 造方法，其中形成該混合物之後與固化該混合物之前，= 包括將該混合物塗佈於一感應電路，藉以感應氣體鐵 元整體之電阻變化。 "早 15. 如申請專利範圍第μ項所述之氣體感測單元的製 造方法，其中δ亥感應電路是指—氧化銘陶瓷載盒。 15
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